CN109490810B - 一种低电感同轴辐射状匹配负载 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种低电感同轴辐射状匹配负载。解决上述现有匹配负载由于结构问题，易产生较大电感，使得脉冲方波的上升时间较长，和对脉冲同轴线的测量过程复杂的问题。包括匹配负载环、高压电阻、低压电阻、电缆接头和直通螺杆；匹配负载环包括同轴嵌套且均为空心的匹配负载内环、匹配负载中间环和匹配负载外环；多个高压电阻圆周均布且径向固定在匹配负载内环和负载中间环之间并且并联；多个低压电阻圆周均布且径向固定在匹配负载中间环和匹配负载外环之间并且并联；多个并联的高压电阻与多个并联的低压电阻串联；电缆接头与匹配负载中间环电连接；匹配负载外环接地；匹配负载内环用于外接高电压脉冲Ui。

Description

一种低电感同轴辐射状匹配负载
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种低电感同轴辐射状匹配负载。
背景技术
在脉冲功率技术中，对脉冲大电流测量探头进行标定具有重要意义。常见的脉冲电流测量探头主要有Rogowski线圈和小电阻分流器等。目前，由于缺乏不确定度可溯源性的电流标定平台，众多脉冲功率装置的电流探头都不能给出可信度较高的测量结果及其不确定度。而电流测量探头是分析脉冲功率装置安全、稳定运行的关键部件，测量探头的测量结果欠准确、不可靠，将极大地掩盖装置可能出现的故障，甚至引起装置运行失败。
对脉冲电流测量探头进行标定，主要从两个方面进行考虑，其一为幅值标定，其二为响应标定。幅值标定主要对探头的灵敏度进行标定，即给出探头测量到的电流大小与待测电流大小的比值；响应标定主要对探头的频率特性进行标定，即考核探头的高频响应和低频响应能力。通过具有纳秒级上升时间和具有一定幅值的方波脉冲对脉冲电流测量探头进行标定是最为直接和最为理想的实现方法。
为了产生纳秒级上升时间且具有一定幅值的脉冲方波电流，可通过慢充电的脉冲同轴线向脉冲形成开关和匹配负载放电，当脉冲形成开关击穿后，即可在匹配负载上产生一个脉冲方波电流。该方法的关键是匹配负载要具有较低的结构电感，并能够承受一定的脉冲高电压。
脉冲同轴线终端的阻抗匹配能够保证脉冲方波没有反射波的叠加，从而保证了脉冲方波具有理想的上升时间和脉冲方波时间宽度。匹配负载的阻值对脉冲方波的幅值具有重要影响，当负载阻值较大时，产生的脉冲方波电流幅值较小，不利于脉冲电流测量探头的标定，且此时产生的脉冲方波电压过高，也不利于匹配负载的安全工作；当负载阻值较小时，虽然有利于产生较高幅值的脉冲方波电流，并且有利于匹配负载的安全工作，但具有较低阻抗的脉冲同轴线却不容易实现。匹配负载的结构电感对脉冲方波的上升时间具有重要影响，当匹配负载结构电感较大时，脉冲方波的上升时间较高，反之则脉冲方波的上升时间较低。
对上述方法产生的脉冲方波电流进行测量，还需要通过同轴匹配负载分析标定系统灵敏度和响应时间以及不确定度，也是脉冲电流测量探头标定中的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有匹配负载由于结构问题，易产生较大电感，使得脉冲方波的上升时间较长，和对脉冲同轴线的测量过程复杂的问题。提供一种低电感和检测方便的低电感同轴辐射状匹配负载。
为实现上述目的，本发明提供的解决方案是，一种低电感同轴辐射状匹配负载，其特殊之处在于，包括金属导电材质的匹配负载环、多个高压电阻、与高压电阻数量一致的多个低压电阻和电缆接头；
所述匹配负载环包括同轴嵌套且均为空心的匹配负载内环、匹配负载中间环和匹配负载外环；
所述多个高压电阻圆周均布且径向固定在匹配负载内环和负载中间环之间并且并联；所述多个低压电阻圆周均布且径向固定在匹配负载中间环和匹配负载外环之间并且并联；
多个并联的高压电阻与多个并联的低压电阻通过匹配负载中间环串联；
所述电缆接头与匹配负载中间环电连接，用于外接同轴信号电缆Z的芯线；
所述匹配负载外环接地；所述匹配负载内环用于外接高电压脉冲Ui。
进一步地，为方便匹配负载与脉冲同轴线连接，所述匹配负载外环底面还设有法兰结构。
进一步地，所述匹配负载内环的一端设有底盖，底盖的中心设有连接通孔。
进一步地，所述匹配负载内环、匹配负载中间环和匹配负载外环均为多棱柱结构，其棱数为6、7、8、9、10；所述高压电阻的数量与棱数相同。
进一步地，所述高压电阻与低压电阻的阻值比为100:1。
进一步地，高压电阻的阻值为50欧姆。
进一步地，所述电缆接头绝缘设置在匹配负载外环或匹配负载内环上，并通过导线与匹配负载中间环电连接；或者电缆接头直接电连接在匹配负载中间环上。
进一步地，所述匹配负载环多棱柱结构的每一个面上都设有电阻固定孔。
进一步地，所述高压电阻和低压电阻被直通螺杆固定在匹配负载中间环上。
本发明的有益效果：
1.本发明采用了同轴辐射状结构，并同时降低了匹配负载的结构电感，匹配负载中的高压电阻和低压电阻又构成一个电阻分压器，可以测量脉冲同轴线内筒的脉冲方波电压波形，而低压电阻还构成一个小电阻分流器，可以测量通过脉冲同轴线的脉冲方波电流波形；辐射状的结构也方便了和脉冲同轴线的内筒与外筒连接；
2.本发明的匹配负载外环底面还设有法兰结构，便于与脉冲同轴线进行配合安装；
3.本发明的匹配外环底部中心还设有通孔，便于与脉冲同轴线进行连接。
附图说明
图1为本发明一种同轴辐射状匹配负载实施例的结构示意图；
图2为本发明中电阻分压器工作原理示意图；
图3为本发明实施例上获得的脉冲电流波形图。
附图标号说明：1-匹配负载内环；2-匹配负载中间环；3-匹配负载外环；4-高压电阻；5-低压电阻；6-电缆接头；7-紧固螺钉；8-底盖；81-连接通孔；Z-测量电缆；Ui-高电压脉冲；Uo-测量输出电压；R0-测量匹配电阻。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
从图1可以看出，本发明的实施例包括匹配负载环、十个高压电阻4、与高压电阻4数量一致的多个低压电阻5和电缆接头6；匹配负载环包括同轴嵌套且均为空心的匹配负载内环1、匹配负载中间环2和匹配负载外环3，所述空心的匹配负载内环1、匹配负载中间环2和匹配负载外环3均为空心的多棱柱结构，轴截面为正十边形，其每一个面上都设有电阻固定孔；匹配负载内环1的每一面上都安装有高压电阻4；匹配负载中间环2的每个电阻固定孔上均安装有一个直通螺杆，该直通螺杆的内端连接并固定高压电阻4一端，外端连接并固定低压电阻5一端，低压电阻5的另一端通过紧固螺钉7固定在匹配负载外环3的电阻固定孔上，高压电阻4的另一端通过紧固螺钉7固定在匹配负载内环1的电阻固定孔上；电缆接头6安装在匹配负载外环3的一个面上，其与匹配负载外环3之间相互绝缘，并通过导线与匹配负载中间环2相连接，在其他实施例中，电缆接头6可以直接安装在匹配负载中间环上；匹配负载外环3底面设有法兰结构，并且法兰上开有多个均布的通孔；匹配负载内环1一端设有底盖8，底盖8的中心设有连接通孔81。
从图2可以看出，高电压脉冲Ui与高压电阻4和低压电阻5依次串联，低压电阻5的一端与高压电阻4连接另一端接地；高压电阻4的一端与低压电阻5连接的同时还与测量电缆Z相连，R0为测量匹配电阻。
高电压脉冲Ui加载在高压电阻4上，高压电阻4和低压电阻5组成分压电路，则在低压电阻5上将会得到与待测高电压脉冲波形相同的低压脉冲，两者之间的比例关系即为电阻分压器的灵敏度，其值为高压电阻4和低压电阻5的阻值比。在测量匹配负载的电流、电压等数据时，将测量装置与电缆接头6相连，低压电阻5上所测波形通过同轴信号电缆Z输入到示波器上，并呈现最终脉冲波形；高压电阻4的阻值为50欧姆；低压电阻5的阻值为0.5欧姆。
如图3所示，通过本实施例，从Uo可以得到最高幅值可达到50kV、最高脉冲电流幅值可达10.3kA，且脉冲方波的前沿均为8.3ns。

Claims (8)

1.一种低电感同轴辐射状匹配负载，其特征在于：包括金属导电材质的匹配负载环、多个高压电阻(4)、与高压电阻(4)数量一致的多个低压电阻(5)和电缆接头(6)；
所述匹配负载环包括同轴嵌套且均为空心的匹配负载内环(1)、匹配负载中间环(2)和匹配负载外环(3)；
所述多个高压电阻(4)圆周均布且径向固定在匹配负载内环(1)和匹配负载中间环(2)之间并且并联；所述多个低压电阻(5)圆周均布且径向固定在匹配负载中间环(2)和匹配负载外环(3)之间并且并联；
多个并联的高压电阻(4)与多个并联的低压电阻(5)通过匹配负载中间环(2)串联；
所述电缆接头(6)与匹配负载中间环(2)电连接，用于外接同轴信号电缆Z的芯线；
所述匹配负载外环(3)接地；所述匹配负载内环(1)用于外接高电压脉冲Ui；
所述匹配负载内环(1)、匹配负载中间环(2)和匹配负载外环(3)均为多棱柱结构，其棱数为6、7、8、9、10；所述高压电阻(4)的数量与棱数相同。
2.根据权利要求1所述的一种低电感同轴辐射状匹配负载，其特征在于：所述匹配负载外环(3)一端还设有法兰结构。
3.根据权利要求2所述的一种低电感同轴辐射状匹配负载，其特征在于：所述匹配负载内环(1)的一端设有底盖(8)，底盖(8)的中心设有连接通孔(81)。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种低电感同轴辐射状匹配负载，其特征在于：所述高压电阻(4)与低压电阻(5)的阻值比为100:1。
5.根据权利要求4所述的一种低电感同轴辐射状匹配负载，其特征在于：高压电阻(4)的阻值为50欧姆。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种低电感同轴辐射状匹配负载，其特征在于：所述电缆接头(6)绝缘设置在匹配负载外环(3)或匹配负载内环(1)上，并通过导线与匹配负载中间环(2)电连接；或者电缆接头(6)直接电连接在匹配负载中间环(2)上。
7.根据权利要求1所述的一种低电感同轴辐射状匹配负载，其特征在于：所述匹配负载环多棱柱结构的每一个面上都设有电阻固定孔。
8.根据权利要求7所述的一种低电感同轴辐射状匹配负载，其特征在于：所述高压电阻(4)和低压电阻(5)被直通螺杆固定在匹配负载中间环(2)上。
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